BAB IV METODOLOGI PENELITIAN
4.1 Kerangka Pemikiran Tantangan dalam sistem layanan jaringan telekomunikasi adalah bagaimana untuk merancang sistem dengan biaya seefektif mungkin sementara tetap memenuhi grade of service tertentu. Pada jaringan komputer, antrian paket data adalah subyek penelitian yang penting dalam peniliaian kinerja sistem jaringan komputer. Parameter sistem secara umum yang perlu diketahui adalah laju permintaan (trafik) paket datav λ dan laju pelayanan paket data μ . Kapasistas sistem seperti jumlah server dan jumlah saluran juga perlu diperhatikan. Diperlukan metode untuk mengukur dan menganalisis utilisasi media jaringan, metode penghitungan kapasitas sistem, dan juga spesifikasi dalam penilaian kinerja sistem (grade of service). Pertimbangan lain adalah untuk memastikan bahwa grade of service tertentu tetap terpenuhi meski terdapat beban yang berlebih atau kesalahan pada sistem. Penilaian kinerja sistem secara menyeluruh perlu memasukkan fakor perilaku sistem pada keadaan tersebut. Analisis sistem diharapkan dapat membantu dalam pengambilan keputusan dalam bentuk solusi-solusi sistem yang ditawarkan. Keputusan yang diambil terhadap sistem dapat berupa keputusan jangka pendek maupun jangka panjang. Keputusan jangka pendek dapat berupa pembatasan jumlah permintaan, meningkatkan laju pelayanan, atau penggunaan prioritas layanan. Keputusan
79
jangka panjang dapat mencakup penambahan kapasitas sistem ataupun perubahan sistem layanan sehingga lebih efisien dan efektif. Dalam menganalisis, diperlukan sebuah model untuk menggambarkan sistem yang ada. Model yang ada secara umum terdiri dari elemen-elemen sebagai berikut:
Pengguna Stokastik
Mesin Deterministik
Trafik (Permintaan)
Struktur (Hardware)
Strategi (Software)
Gambar 4.1 Elemen Model Sistem Antrian Teletrafik. Sumber: ITU-D (2006) A. Struktur Sistem Struktur sistem ditentukan secara teknis, dan informasi detil mengenai komponen sistem ini mungkin didapatkan. Aspek reliabilitas sistem juga dipertimbangkan, seperti perilaku komponen sistem pada saat terjadi beban berlebih ataupun terjadi kesalahan. Struktur sistem ini didapatkan dari komponen sistem fisikal dan logikal yang diterangkan secara detil pada acuan sistem.
B. Strategi Operasional Sebuah sistem fisik dapat bekerja dalam berbagai cara, disesuaikan dengan jumlah trafik yang harus dilayani dan strategi untuk memenuhinya.
80
Pada sistem komputer, penyesuaian ini dapat dilakukan dengan optimasi penjadwalan, optimasi program pelayanan, dan pemberian prioritas layanan. Dalam sistem telekomunikasi, strategi dijalankan untuk memberikan prioritas pada panggilan dan pengarahan panggilan ke rute tujuan dengan jalur yang lebih singkat.
C. Ciri-ciri statistikal dari trafik Dalam sistem, kebutuhan pengguna dimodelkan dengan ciri statistika trafik (seperti laju permintaan dalam unit waktu tertentu). Dengan pengukuran pada sistem sebenarnya, dapat divalidasikan bahwa model yang digunakan dapat menggambarkan sistem sebenarnya. Proses ini adalah proses yang iteratif (seperti pada gambar 4.1), dan dapat dilakukan berulangulang. Model matematika dibentuk menggunakan pengetahuan menyeluruh tentang trafik. Ciri-cirinya kemudian diturunkan dari model tersebut dan dibandingkan dengan data yang diukur. Jika terjadi ketidakcocokan pada data dan model, proses iteratif tersebut akan diulang lagi.
81
Observasi
Pemodelan
Deduksi
Data
Verifikasi
Gambar 4.2 Kerangka Pemikiran Penelitian Sumber: ITU-D (2006) Model yang akan dibuat memiliki persyaratan sebagai berikut. 1. Model dapat menggambarkan perilaku komponen-komponen sistem. 2. Model harus dapat diproses, dibuktikan, dan parameter-parameter model dapat diperoleh dari pengambilan atau pengamatan data. 3. Model harus dapat diaplikasikan dalam pengukuran.
Terkadang diperlukan metode statistika, karena tidak mungkin untuk mendapatkan data individual dari objek yang diteliti. Kedatangan permintaan dapat digambarkan sebagai proses stokastik, dan interval waktu antar permintaan dapat digambarkan dengan distribusi peluang yang menggambarkan proses stokastik. Alternatif terhadap model matematika adalah sebuah model simulasi
82
atau model fisik (prototipe). Kesulitan dari model simulasi adalah karena model simulasi tidak menggambarkan secara umum, setiap kasus harus disimulasikan. Pembangunan prototipe sistem membutuhkan waktu dan tenaga yang lebih besar dari simulasi. Model matematika lebih dipilih, namun terkadang untuk membangun sebuah model matematika diperlukan simulasi, dan prototipe sistem diperlukan untuk pengujian. Dalam sistem yang diteliti dalam skripsi ini, parameter yang perlu diukur adalah 1. Laju kedatangan paket data pada saluran WAN λ . 2. Laju pelayanan paket data μ , yaitu bandwith dari saluran WAN (kapasitas sistem). Selain itu waktu layanan juga didapatkan dari penghitungan Round Trip Time (RTT) untuk aplikasi WWW yang menggunakan TCP. 3. Peluang terjadi beban berlebih (kongesti) pada saluran WAN, atau terjadi kesalahan dalam sistem pelayanan. Hal ini akan berakibat pada tertundanya atau ditolaknya paket data. 4. Perilaku protokol aplikasi HTTP yang dipakai WWW dan protokol transportasi TCP. Perilaku ini juga perlu diperhatikan terutama ketika sistem mengalami beban berlebih (kongesti), yang akan berdampak pada penundaan atau penolakan (drop) pada paket data.
83
4.2 Pengumpulan Data 4.2.1 Sumber Data Dalam skripsi ini, data antrian paket data jaringan komputer, baik untuk komunikasi real time (VoIP) maupun waktu tunda akses WWW akan diambil dalam laboratorium jaringan komputer. Populasi dari data ini adalah antrian paket data di internet, ataupun pada jaringan WAN terdedikasi yang menghubungkan beberapa LAN secara langsung. Pengambilan data dilakukan di laboratorium dengan pertimbangan bahwa parameter-parameter pembangun sistem perlu diubah-ubah untuk memvalidasikan rumus perhitungan kinerja sistem. Pada berbagai konfigurasi sistem di lapangan, parameter-parameter ini kecil kemungkinannya untuk diubah-ubah sehingga menyulitkan penelitian. Pada sistem nyata, beberapa faktor luar juga dapat berpengaruh besar terhadap perilaku
sistem.
Pengaruh
ini
sedapat
mungkin
dihindarkan untuk
mendapatkan perhitungan yang sesuai. Untuk mengambil data, di laboratorium akan dibangun sistem yang dapat menggambarkan sistem nyata. Pada beberapa konfigurasi sistem, nilai parameter yang digunakan (seperti laju permintaan data real time) akan dibuat dengan keadaan yang lebih buruk dari sistem sebenarnya. Hal ini dilakukan untuk mendapatkan metode perhitungan kinerja yang dapat berlaku pada keadaan terburuk. Dengan peralatan (hardware) yang tersedia untuk membangun struktur sistem, berbagai perangkat lunak (software) pendukung yang dibuat sendiri dan juga software pendukung lainnya, perilaku sistem dapat dibangkitkan.
84
Dengan program tersebut, pengukuran parameter-parameter sistem seperti yang disebutkan di atas dan analisisnya juga dapat dilakukan. Sebagai tujuan akhir, pengukuran kinerja sistem (dalam hal ini waktu tunda akses WWW) akan dapat dilakukan. Berbagai macam konfigurasi sistem yang terdapat di lapangan juga dapat dibangkitkan dan diukur, dengan tujuan untuk memvalidasikan metode pengukuran kinerja sistem yang diteliti.
4.2.2 Konfigurasi Sistem Untuk mengambil data-data yang diperlukan, di laboratorium akan dibangun struktur sistem sebagai berikut.
Gambar 4.3 Struktur Sistem Penelitian
85
Tabel 4.1 Spesifikasi Struktur Sistem Percobaan Nama PC Client
PC Server
Spesifikasi Alamat IP/ID • Intel Pentium 192.168.1.2 IV 2.4 GHz • Memory 512 Mb • Windows 2000 • Intel Pentium 172.16.1.2 IV 2.0 GHz • Memory 256 Mb • GNU/Linux Fedora Core 4
Phone1000 VoIP Phone Phone1010 VoIP Phone
Switch_A Switch_B
Compex DS1216 CISCO 2950
Router_A
CISCO 1750 Router
Router_B
CISCO 1750 Router
172.16.1.11
Fungsi • Menjalankan akses WWW • Penghitungan waktu tunda
Keterangan Pada perangkat ini pengukuran kinerja WWW dilakukan
• Server VoIP • Server WWW • Pengukuran λ
Server ini merupakan server ideal, tidak terbebani proses lain.
Perangkat Komunikasi VoIP 192.168.1.11 Perangkat Komunikasi VoIP Penghubung dalam LAN Penghubung dalam LAN Penghubung • Serial: LAN ke saluran 10.10.10.1 • Fast Ethernet: WAN 192.168.1.1 Penghubung • Serial: LAN ke saluran 172.16.1.1. • Fast Ethernet: WAN 10.10.10.2
Pesawat telepon VoIP Pesawat telepon VoIP Kecepatan layanan tinggi Kecepatan layanan tinggi Merupakan sistem antrian paket data WAN Merupakan sistem antrian paket data WAN
Struktur sistem pada gambar 4.3 akan digunakan untuk menggambarkan struktur sistem antrian paket data dalam skripsi ini. Spesifikasi dari perangkatperangkat yang dipakai dapat dilihat pada tabel 4.1. Dalam penggunaannya di lapangan, jaringan komputer (yang merupakan sistem antrian paket data) sebagian besar akan menggunakan jumlah perangkat jaringan yang lebih
86
banyak dari struktur di atas. Untuk keperluan analisis paket data dan antriannya, struktur sistem dengan jumlah perangkat yang besar akan menambah kesulitan dalam penghitungan dan pengukuran. Selain kesulitan tersebut, akan terdapat pengaruh-pengaruh lain pada perilaku sistem, yang juga akan berpengaruh pada hasil penelitian yang didapat. Pengaruh ini contohnya penambahan trafik karena paket data dari aplikasi lain, atau paket data yang dikirim secara broadcast, dan sebagainya. Dalam struktur sistem di atas, sebagian besar paket data yang dikirimkan akan mengalami antrian yang berarti pada saluran WAN (bottleneck). Saluran LAN yang menggunakan teknologi Ethernet (Fast Ethernet) memiliki kecepatan transfer yang tinggi, dan tidak akan mempunyai pengaruh yang berarti pada kinerja sistem. Server WWW yang digunakan juga merupakan server yang ideal, tidak mengalami beban yang berlebihan untuk kepentingan penelitian antrian paket data. Pada struktur sistem ini, digunakan satu server untuk melayani panggilan. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa antrian paket data yang berpengaruh besar pada kinerja sistem secara keseluruhan adalah antrian paket data pada saluran WAN (yaitu yang melalui perangkat router).
4.2.3 Pengukuran Kedatangan Paket Data Pada Saluran WAN Sebagian besar paket data yang dikirimkan pada sistem ini berasal dari komunikasi real time VoIP. Hal ini dapat diyakini karena komunikasi secara real time VoIP membutuhkan interaktifitas yang tinggi (membutuhkan
87
kecepatan transfer data yang relatif konstan). Data yang dipertukarkan juga memiliki ukuran yang relatif besar, yakni data audio atau suara. Komunikasi dengan ciri seperti ini akan berdampak pengiriman paket data secara terusmenerus selagi komunikasi masih berjalan. Hal ini juga didukung oleh penggunaan protokol transportasi UDP yang kurang tanggap terhadap keadaan jaringan (data akan terus dikirimkan ketika aplikasi masih memiliki data). Dalam perhitungan atau analisis sistem antrian, parameter yang akan terpengaruh oleh ciri komunikasi ini adalah laju permintaan atau utilisasi saluran yang relatif tinggi. Utilisasi jaringan yang tinggi akan berpengaruh terutama pada kinerja protokol transportasi TCP yang dipakai pada akses WWW. Untuk mengukur kinerja sistem (terutama waktu tunda akses WWW) dalam keadaan terbebani, komunikasi real time VoIP ini akan terus dijalankan. Dengan demikian, laju kedatangan paket data pada router (yang merupakan lokasi antrian utama paket data) akan mengikuti laju paket data yang dikirimkan pada komunikasi VoIP. Komunikasi VoIP yang akan dijalankan menggunakan protokol SIP (untuk kendali komunikasi), dengan menggunakan codec G.711 yang secara rata-rata membutuhkan bandwidth sebesar 84 Kbps. Ini berarti laju kedatangan paket data (dalam ukuran bit) akan berkisar antara 84700 bps. Pengukuran data kedatangan akan dilakukan pada perangkat router, dan juga pada server yang melayani komunikasi VoIP. Penggunaan saluran WAN dengan menggunakan bantuan dari penyedia infrastruktur telekomunikasi (seperti perusahaan jaringan telepon atau
88
penyedia jasa internet (ISP)) dapat digambarkan pada gambar 4.4. Awan (cloud) pada gambar tersebut merupakan simbol dari internet, dan untuk terhubung ke sana diperlukan pendaftaran dan biaya yang sebanding dengan kapasitas layanan.
Gambar 4.4 Keterhubungan Dengan Internet
Untuk mendapatkan keterhubungan WAN tanpa menggunakan jasa pihak ketiga, dapat digunakan metode seperti pada gambar 4.5. Metode ini sering digunakan untuk keperluan analisis teoritis dan percobaan terisolasi. Keuntungan lain dari metode ini adalah ukuran kapasitas dari saluran (clock rate) dapat diubah-ubah untuk melakukan penelitian secara menyeluruh. Metode ini menggunakan 2 kabel serial yang dihubungkan langsung satu sama lain. Satu kabel akan bertindak sebagai penghubung ke router sebagai DCE, dan satu lagi akan dihubungkan ke router lainnya sebagai DTE.
Gambar 4.5 Teknik Penghubungan Saluran WAN Sumber: www.jlsnet.co.uk/index.php?page=cc_wan
89
Untuk mengambil data kedatangan paket data, λ , akan digunakan 2 cara yaitu 1. Mengambil data dari router, yang memiliki informasi jumlah kedatangan paket dalam jangka waktu tertentu. 2. Mengambil data pada server dengan menggunakan perangkat lunak yang dapat mencatat penerimaan paket dan menganalisisnya.
Untuk melakukan penerimaan paket dan analisis di server, akan dibuat program yang menggunakan bahasa pemrograman Java. Bahasa pemrograman ini dipilih dengan pertimbangan sebagai berikut. a. Bahasa ini memiliki berbagai macam komponen dengan penggunaan yang luas, diantaranya jaringan komputer. b. Bahasa ini terus dikembangkan, dan memiliki dokumentasi yang baik. c. Program yang dibuat dengan bahasa ini dapat dijalankan pada berbagai sistem operasi seperti Windows dan GNU/Linux, dan lainnya. d. Untuk pemrosesan paket data, Java memiliki komponen library yang dapat digunakan yaitu jpcap (http://sourceforge.net/projects/jpcap). Library jpcap ini merupakan kelas-kelas dalam bahasa Java yang didasarkan pada library libpcap (library pemrosesan paket data yang lebih umum, http://sourceforge.net/projects/libpcap/). Analisis lebih lanjut akan lebih mudah dilakukan dengan operasi pemrograman lainnya.
90
Program ini akan berjalan seperti berikut buka akses ke perangkat jaringan di komputer jika terdapat paket masuk dan( jumlah paket < Maksimum jumlah paket) tambah penghitung jumlah paket dan ukurannya tambah waktu penerimaan paket ke total durasi akhir jika jmlkelas = jumlah paket / interval kelas untuk setiap kelas hitung jumlah paket (frekuensi) dalam interval waktu kelas akhir perulangan akhir modul
Selain menggunakan program buatan sendiri, akan digunakan pula program lain yang mendukung seperti Wireshark (http://www.wireshark.org) dan tcpdump (www.tcpdump.org) Wireshark dapat digunakan untuk menganalisis protokol-protokol yang digunakan dalam komunikasi. tcpdump merupakan program pencatat penerimaan paket data yang telah secara luas digunakan, dan program yang dibuat dalam skripsi ini selain mampu mencatat penerimaan paket sendiri, namun akan juga mendukung pembacaan hasil pencatatan dari tcpdump.
4.2.4 Data Antrian Paket Data Dalam Akses WWW Untuk mengukur kinerja akses WWW, diperlukan metode untuk mengukur kinerja dari protokol transportasinya yaitu TCP. Salah satu parameter fungsi penilaian kinerja TCP adalah peluang terjadinya kehilangan data yang akan berakibat pada pengiriman ulang. Mekanisme pendeteksian kehilangan
91
pengiriman ulang TCP ini juga perlu dimodelkan dan diambil datanya. TCP menggunakan beberapa aturan dalam menghindari kongesti, di antaranya exponential backoff, di mana jika pengirim telah menunggu pewaktu untuk timeout (T0), pewaktu berikutnya akan menunggu sebesar 2 T0, 2 T0, 4T0, dan seterusnya hingga batas maksimum sebesar 64 T0. Nilai dari T0 ini perlu dihitung dalam menghitung kinerja protokol TCP. Waktu tunda akses WWW sendiri dapat dihitung menggunakan program yang dibuat dengan analisis waktu paket. Pengambilan data T0 ini dapat dilakukan menggunakan program yang telah dibuat, dengan menganalisis waktu pengiriman paket yang belum di-ACK, dan waktu terjadinya timeout atau terdapat 3 ACK duplikat (ditandai dengan pengiriman paket ulang). Gambar berikut menunjukkan terjadinya pengiriman ulang (retransmission) setelah menunggu 6 detik (timeout pertama). Dari sini akan didapatkan T0. 0.000140 192.168.1.2 172.16.1.2 HTTP GET /junior/2k.log HTTP/1.1 6.546170 192.168.1.2 127.16.1.2 HTTP [TCP Retransmission] … Gambar 4.6 Pengiriman Paket Ulang dalam Akses WWW Berikut algoritma untuk menghitung T0. Analisis semua paket dalam komunikasi TCP (WWW) Jika ada paket yang sama Hitung waktu interval antara kedua paket tersebut (∆) T0 =( ∆ - A)/2 dengan A awal adalah 0 akhir jika akhir modul
92
Untuk menghitung waktu tunda akses WWW, algoritmanya adalah sebagai berikut. Analisis semua paket dalam komunikasi TCP (WWW) dari client ke server
Jika terdapat paket dengan flag SYN waktu awal =waktu paket dengan flag SYN akhir jika Jika terdapat paket data dengan penggalan HTTP 200 atau FIN (ACK) waktu akhir = paket dengan HTTP 200 atau FIN (ACK) akhir jika waktu tunda= waktu awal – waktu akhir akhir modul
4.3 Teknik Analisis Data 4.3.1 Uji Distribusi Kedatangan Paket Data Salah satu parameter penting kinerja sistem antrian adalah kedatangan laju paket data. Kedatangan paket data pada internet biasa dimodelkan menggunakan distribusi Poisson. Untuk itu akan dialakukan uji distribusi Poisson dengan menggunakan uji kebaikan suai (goodness-of-fit test). Uji kebaikan suai dilakukan menggunakan ujia kai kuadrat (chi-square) ( fi − ei )2 ei i =0 k
χ2 = ∑
dengan fi adalah frekuensi dari observasi, dan ei adalah frekuensi harapan yang didapat dengan rumus ei = Fi
k
∑
j=0
f
j
dengan Fi adalah fungsi peluang distribusi yang diuji yaitu distribusi Poisson.
93
Untuk melakukan uji suai ini, dibuat hipotesis ( H 0 ) yang menyatakan bahwa data mengikuti distribusi yang diuji, dan hipotesis tandingan ( H1 ) yang menentang H 0 . Hipotesis H 0 akan diterima bila nilai χ 2 hasil perhitungan lebih kecil dari χ 2α ,k −1 dengan α adalah tingkat kepercayaan dan k adalah derajat bebas.
4.3.2 Analisis Parameter Model Empiris Parameter sistem antrian paket data perlu ditentukan dan dianalisis dari data yang diperoleh. Dengan parameter-parameter tersebut, fungsi kinerja sistem akan dapat dihitung. Permasalahan dapat timbul bila salah satu dari parameter tersebut tidak diketahui dan diperlukan estimasi. Parameter laju pelayanan paket data telah diketahui, dan merupakan ukuran saluran dari sistem (saluran WAN) dan biasa disebut bandwith. Untuk menghitung parameter laju kedatangan paket data (distribusi Poisson), dapat dilakukan estimasi menggunakan MLE (Maximum Likelihood Estimator). Untuk
distribusi
X 1 = k1 , X 2 = k2 ,... X n = kn e − λ λ ki L (λ ) = ∏ ki ! i =1 n
n
∑ ki
=
e− nλ λ i =1 n
∏ ki ! i =1
Poisson
px (k ) =
e− λ λ k , k!
dengan
94
n ⎛ n ⎞ ln L(λ ) = − nλ + ⎜ ∑ ki ⎟ ln λ − ln ∏ ki ! , dan ⎝ i =1 ⎠ i =1
n
∑ ki d ln L(λ ) = − n + i =1 λ dλ Dengan turunan bernilai 0, didapatkan MLE untuk λ yaitu
λˆ =
1 n ∑ ki n i =1
Nilai parameter tersebut merupakan parameter utama sistem antrian yang dapat digunakan untuk menghitung utilisasi sistem, peluang kehilangan paket data (menggunakan rumus Erlang) dan perhitungan lainnya. Dalam beberapa model yang diajukan, seperti model perhitungan kinerja TCP, diperlukan parameter peluang kehilangan paket yang didapat dari perhitungan di atas. Parameter lain yang diperlukan berupa jumlah layanan server atau saluran yang dipakai. Saluran WAN dengan ukuran n64 kbit/s dapat dianggap sebagai sistem antrian dengan jumlah saluran n.
4.3.3 Perhitungan Kinerja Empiris dan Perbandingan dengan Data
Dalam proses perhitungan kinerja akses WWW ini, proses dalam gambar 4.2 dapat dilakukan berulang-ulang, hingga didapat model yang cocok dan dapat diverifikasikan dengan data yang dikumpulkan. Oleh karena itu, untuk setiap percobaan atau siklus perhitungan, akan dilakukan uji kecocokan dalam jumlah yang dianggap memadai. Uji ini juga akan dilakukan pada berbagai
95
konfigurasi sistem yang berbeda. Perbedaan ini terletak pada parameterparameter sistem seperti besar saluran WAN, laju permintaan paket data real time VoIP dan sebagainya. Uji kecocokan yang berulang-ulang ini, dengan parameter-parameter yang berubah-ubah sesuai dengan konfigurasi sistem dalam pengambilan data, akan dilakukan menggunakan program aplikasi sehingga lebih cepat dan akurat. Program pendukung lainnya yang digunakan memiliki kekurangan dalam hal ini, yaitu dalam hal pemodelan dan perhitungan kinerja sistem secara matematis.
